地震作用下雙塔斜拉橋結構體系響應分析

【摘要】為探究地震作用下，雙柱式雙塔斜拉橋結構體系的響應，以南水北調橋為工程背景，采用Midas/Civil有限元建立全橋模型，基于地震時程分析法分析了地震作用下，漂浮體系、半漂浮體系和剛構體系斜拉橋的主塔位移和內力響應以及主梁位移響應，研究結果表明：采用剛構體系斜拉橋時，可以增加雙塔斜拉橋的整體剛度，減小地震作用下主塔和主梁的縱向位移響應；剛構體系斜拉橋的塔底彎矩和剪力由于塔梁固結，大幅增加，在地震作用下，可能對結構的抗震性能產生不利影響。

斜拉橋； 地震動； 地震響應

【中圖分類號】U448.27【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-11-04

［作者簡介］張劍鋒（1993—），男，碩士，助理工程師，主要從事橋梁結構設計分析工作。

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，我國的基建設施的建設發展迅速，特別是我國橋梁的建設發展，不僅出現了多種結構形式，而且橋梁的跨度也逐漸越來越大，其中斜拉橋的結構形式美觀，跨越能力強，在大跨度橋梁結構設計時多考慮斜拉橋型式。由于我國地處四大地震帶，對大跨度斜拉橋的結構安全易產生威脅，因此保證地震作用下斜拉橋結構的安全使用功能，是當前研究的重要方向。

目前，很多學者開展了較多的大跨斜拉橋地震響應研究，對于地震響應分析的研究已經較為成熟，王利剛等［1］以跨江大橋為研究背景，開展了大跨雙塔斜拉橋的合理抗震體系研究；許莉等［2］以680 m主跨的大跨斜拉橋為工程背景，基于半橋試驗，開展了雙塔斜拉橋的地震響應研究；佘良勇等［3］從結構體系、主梁簡化、材質、施工方案和高烈度地震區等方面開展了雙塔斜拉橋的設計方案研究；張文鋒［4］采用Ansys有限元分析了雙塔斜拉橋在順橋向和豎向地震作用下的地震響應；屈愛平等［5］針對不對稱雙塔斜拉橋開展了多點激勵作用下的地震響應分析，成果可為同類型工程提供參考；巫生平等［6］以某416 m雙塔斜拉橋為工程背景，采用反應譜法、時程分析法和功率譜法研究分析了大跨斜拉橋的地震響應；周勇［7］基于Ansys有限元分析了大跨度斜拉橋的動力特性和地震響應；鄭亮［8］通過對山區雙塔斜拉橋的抗震性能計算分析，確定了該橋的薄弱部位，并對阻尼器和減震支座進行了參數優化設計和分析。

綜上所述，對于大跨度雙塔斜拉橋的地震響應研究已經相當成熟，但是對于地震作用下斜拉橋結構體系的響應研究較為少見，因此，本文以南水北調橋為研究背景，開展了地震作用下斜拉橋結構體系的響應研究，主要研究其結構體系受地震作用的影響，成果可為斜拉橋設計提供理論參考。

1 工程概況

南水北調橋采用（115+252+115） m預應力混凝土雙塔斜拉橋，兩岸引橋采用先簡支后結構連續預應力裝配式T梁。橋梁全長482 m，主塔最大高度100 m。主塔采用雙柱式薄壁箱形寶瓶主塔，啞鈴型承臺群樁基礎；過渡墩采用空心薄壁墩，承臺群樁基礎。橋型布置見圖1。

2 有限元模型

2.1 模型條件

采用Midas/Civil有限元建模，全橋離散為平面桿系單元，共1 233個節點，954個單元，其中主梁、橋塔和樁基礎采用梁單元，共810個，斜拉索采用桁架單元，共144個。計算模型如圖2所示。樁基底部采用完全固結，樁基側向設置橫向剛度支撐；主塔及過渡墩支座位置約束豎向及橫橋向位移。

2.2 模型參數設置

南水北調橋的模型參數見表1。

3 動力特性分析

采用Midas/Civil對橋梁結構動力特性分析，結果見表2～表4。

4 地震響應分析

本文考慮了地震作用對斜拉橋結構的影響。

4.1 地震動輸入

由于該大橋位于高烈度區，因此，需要分析該橋在地震作用下的結構響應，研究地震響應對該橋的影響規律。地震動根據橋梁場地的工程條件，采用Seismomatch軟件擬合三條人工地震波。三條地震動的編號分別為B1、B2、B3，見圖3。

4.2 塔頂縱向位移

地震作用下，漂浮體系、半漂浮體系和剛構體系斜拉橋的主塔塔頂縱向位移響應峰值見表5，三種結構體系斜拉橋的主塔塔頂縱向位移時程對比見圖4。

由表5可知，漂浮體系由于塔梁之間無約束，在地震作用下主塔塔頂的位移量最大，塔梁之間設置彈性約束的半漂浮體系在地震作用下，塔頂位移量減小，而剛構體系由于塔梁固結，塔頂位移量最小。

由圖4可知，在地震作用下，漂浮體系斜拉橋的塔頂縱向位移小于半漂浮體系斜拉橋塔頂最大縱向位移，可能是由于在地震作用下漂浮體系斜拉橋不僅受縱向和橫向振動，而且還受豎向振動的影響，而半漂浮體系斜拉橋塔梁之間設置有彈性連接（限制豎向和橫向位移），受順橋向振動更強烈點，因此半漂浮體系斜拉橋的塔頂縱向位移略大；剛構體系由于塔梁墩固結，順橋向橋梁剛度增加，因此塔頂縱向最大位移較小。

4.3 主梁跨中位移響應

地震作用下，漂浮體系、半漂浮體系和剛構體系斜拉橋的主梁跨中位移響應峰值見表6，三種結構體系斜拉橋的主梁跨中位移時程對比見圖5和圖6。

由表6可知，半漂浮體系斜拉橋的主梁豎向位移峰值最大，漂浮體系斜拉橋的跨中豎向位移略小于剛構體系，可能是由于地震作用下，漂浮體系斜拉橋主梁無約束，在地震作用下，主梁沿縱向和豎向振動，主梁的振動方向不一致；而剛構體系采用全固結的形式，在地震作用下，主梁振動方向一致，因此，主梁的豎向位移略大于漂浮體系斜拉橋。

由圖5可知，在地震作用下，漂浮體系斜拉橋和半漂浮體系斜拉橋的主梁跨中縱向位移變化曲線基本重合，漂浮體系和半漂浮體系斜拉橋的主梁縱向最大位移峰值分別為0.056 3 m和0.056 4 m。剛構體系斜拉橋的主梁跨中縱向位移最小，為0.044 1 m，比漂浮體系和半漂浮體系斜拉橋的主梁跨中縱向位移減小了22%。主要是由于剛構體系全固結，整體性好，縱向剛度大。從分析結果看，采用塔梁固結體系可以增加全橋的順橋向剛度，降低地震作用下主梁的縱向位移。

由圖6可知，在地震作用下，三種體系斜拉橋的主梁跨中豎向位移基本一致，其最大響應相差不超過12%，表明地震作用下，結構體系對斜拉橋主梁跨中的豎向位移響應的影響不大。

4.4 主塔內力響應

地震作用下，漂浮體系、半漂浮體系和剛構體系斜拉橋的主塔內力響應峰值見表7，三種結構體系斜拉橋的主塔內力時程對比見圖7～圖9。

由圖7和表7可知，在地震作用下，漂浮體系和半漂浮體系斜拉橋主塔的軸力相差很小，剛構體系斜拉橋塔軸力最小，出現這種結果可能是由于半漂浮體系斜拉橋塔梁間設有彈性支撐（約束豎向和橫向），主梁在地震作用下縱向振動很劇烈，導致主塔承受拉索的豎直分力較大；漂浮體系斜拉橋主梁的豎向振動較為劇烈，經拉索傳遞給主塔的豎向力較大，導致塔底的軸力很大；剛構體系由于全固結，橋梁整體剛度較大，因此其塔底軸力響應較小。

由圖8和表7可知，在地震作用下，半漂浮體系和剛構體系斜拉橋的塔底剪力響應相差很小，其響應峰值分別為20 441.44kN和19 698.12kN，相差在3.6%以內，漂浮體系斜拉橋的塔底剪力較小為13 233kN，比半漂浮體系斜拉橋的塔底剪力減小35.3%，比剛構體系斜拉橋的塔底剪力減小32.8%，采用漂浮體系斜拉橋可減小地震作用下主塔塔底的剪力。

由圖9和表7可知，在地震作用下，剛構體系斜拉橋的塔底彎矩峰值最大，達到242 660.7 kN·m，漂浮體系斜拉橋和半漂浮體系斜拉橋的塔底彎矩峰值基本接近，分別為108 803.47 kN·m和104 790.4 kN·m，剛構體系斜拉橋的塔底彎矩比漂浮體系斜拉橋增加55.2%，比半漂浮體系斜拉橋的塔底彎矩增加56.8%，采用剛構體系時，斜拉橋主塔塔底彎矩大幅增加，對結構抗震有一定的影響。

5 結論

本文通過對雙柱式雙塔斜拉橋在地震作用下的響應分

析，得到主梁和主塔的位移響應峰值，以及主塔的內力響應峰值，通過對比三種體系斜拉橋的地震響應，得出結論：

（1）在地震作用下，相比其他兩種體系斜拉橋，剛構體系斜拉橋的主塔和主梁縱向位移較小，說明采用剛構體系可以增加斜拉橋的整體剛度，可有效減小主塔和主梁的縱向位移。

（2）三種體系斜拉橋的主梁豎向位移基本一致，說明地震作用下，主梁的豎向位移響應受結構體系的影響很小。

（3）剛構體系由于塔梁固結，在地震作用下，塔底彎矩和剪力大幅增加，可能對結構的抗震產生不利影響。

參考文獻

［1］ 王利剛，葛雄，鄧育林.地震下大跨雙塔混合梁斜拉橋橫向合理抗震體系研究［J］.武漢理工大學學報，2020，42（12）：7-12.

［2］ 許莉，張超，鄭俊浩，等.基于半橋試驗的雙塔斜拉橋縱向地震響應研究［J］.土木工程學報，2020，53（1）：73-83.

［3］ 佘良勇，劉燕飛，張忠良.某折線形雙塔斜拉橋的設計方案研究［J］.交通科技，2019（4）：29-32.

［4］ 張文鋒.某大跨度雙塔斜拉橋地震響應分析［J］.科學技術創新，2019（23）：92-93.

［5］ 屈愛平，李龍安.不對稱雙塔斜拉橋多點激勵作用下地震響應分析［J］.工程抗震與加固改造，2017，39（5）：124-129.

［6］ 巫生平，房貞政，王慶棟.大跨度雙塔斜拉橋地震響應分析方法研究［J］.福州大學學報（自然科學版），2013，41（4）：534-538.

［7］ 周勇.大跨雙塔斜拉橋的動力特性與地震響應分析［J］.交通科技，2012（4）：4-6.

［8］ 鄭亮.山區雙塔斜拉橋抗震性能優化研究［J］.上海公路，2013（2）：40-42+46+13.